Qual è l'efficienza dei sistemi di stoccaggio dell'idrogeno in idrocarburi organici liquidi (LOHCs)?

I sistemi di stoccaggio dell'idrogeno che utilizzano idrocarburi organici liquidi (LOHCs) si basano sulla reazione di idrogenazione e deidrogenazione di sostanze organiche insature con gas idrogeno. Questi sistemi offrono una delle soluzioni più promettenti per lo stoccaggio e il trasporto dell'idrogeno, in quanto i composti utilizzati, come il toluene e il benzene, possiedono elevati contenuti di idrogeno e processi di stoccaggio reversibili. A seguito dell'idrogenazione, gli idrocarburi organici liquidi diventano stabili, sicuri e simili ai prodotti petroliferi nei metodi di stoccaggio, il che li rende adatti per l'uso con le attrezzature di stoccaggio e trasporto esistenti.

Il sistema di stoccaggio dell'idrogeno a base di LOHC, ad esempio, ha il vantaggio di essere compatibile con i metodi industriali di produzione dell'idrogeno, eliminando così la necessità di costosi processi di separazione dell'idrogeno. Tuttavia, vi sono numerose sfide tecniche da superare, tra cui l'alto costo dei catalizzatori nobili, la loro suscettibilità al veleno e alla disattivazione, e la necessità di sviluppare catalizzatori più efficienti per migliorare la velocità di deidrogenazione, soprattutto a temperature più basse.

Un esempio di progresso in questo campo è rappresentato dal catalizzatore bimetallico Ni-Cu/SiO2 sviluppato da Chen et al. per la reazione di deidrogenazione del cicloesano, che ha raggiunto un'efficienza di conversione del 95% con una selettività verso il benzene del 99,4% a 250°C in un reattore a flusso plug. L'uso di catalizzatori a base di metalli non preziosi, come Ni e Cu, ha dimostrato di essere una soluzione efficace per ridurre i costi, ma la ricerca continua a concentrarsi su come migliorare la stabilità e l'efficienza di questi catalizzatori in condizioni operative rigorose.

Un'altra area di interesse riguarda i sistemi di stoccaggio dell'idrogeno basati sul N-ethylcarbazole, che offre una bassa variazione di entalpia durante i cicli di idrogenazione/deidrogenazione (circa 50 kJ/mol di H2). Questi sistemi sono ideali per applicazioni a temperature di lavoro tipiche delle celle a combustibile, ma anche in questo caso, il miglioramento della catalisi e l'accelerazione dei processi di trasferimento di massa e calore sono fondamentali. L'uso di catalizzatori nobili come Pt, Pd, Rh e Ru ha mostrato buoni risultati nelle reazioni di deidrogenazione del dodecahidroethylcarbazole, con Pd che si è rivelato il catalizzatore più attivo.

Nel caso del sistema DBT/H18-DBT, la capacità di idrogenazione a basse temperature e ad alta densità volumetrica di idrogeno è un vantaggio significativo. Tuttavia, l'idrogenazione efficace di dibenziltoluene richiede catalizzatori ben progettati, come Pd/Al2O3 e Rh/Al2O3, per evitare reazioni indesiderate come la metanazione. L'uso di un sistema di idrogenazione con una miscela di H2/CO2 ha mostrato promesse, ma la selezione del catalizzatore rimane un elemento critico per ottenere una buona efficienza senza compromettere la stabilità del sistema.

Il futuro dello stoccaggio dell'idrogeno con LOHCs dipende da miglioramenti sostanziali nella tecnologia dei catalizzatori, nella gestione della temperatura e nella riduzione dei costi operativi. L'uso di metalli non preziosi e di catalizzatori bimetallici rappresenta una direzione promettente per ridurre i costi di produzione, mentre la ricerca continua a cercare soluzioni per migliorare la stabilità e l'efficienza in condizioni operative più severe. Inoltre, la possibilità di utilizzare materiali a basso costo come i prodotti del catrame di carbone a bassa temperatura per la produzione di idrocarburi aromatici polinucleari, insieme a catalizzatori più economici, potrebbe contribuire a rendere lo stoccaggio dell'idrogeno con LOHCs più conveniente e sostenibile per applicazioni industriali future.

Qual è l'efficacia e le sfide delle tecnologie di stoccaggio e trasporto dell'idrogeno?

Le tecnologie di stoccaggio e trasporto dell'idrogeno stanno assumendo un ruolo cruciale nella creazione di catene di approvvigionamento energetico decarbonizzate, ma presentano numerose sfide in termini di efficienza, costi operativi e sicurezza. Una delle soluzioni emergenti per il trasporto dell’idrogeno è l'utilizzo dei portatori organici di idrogeno liquido (LOHC), una tecnologia che permette di stoccare l'idrogeno in forma liquida mediante reazioni chimiche reversibili, facilitando così il trasporto su larga scala.

Nel marzo 2020, la Germania ha annunciato il piano GET H2, che mira a costruire una rete di produzione e stoccaggio di idrogeno verde, sfruttando le risorse di energia rinnovabile nei territori ricchi di vento e sole. Questo piano prevede l'uso di impianti di pompaggio termico, turbine a idrogeno e stazioni di rifornimento di idrogeno, nonché il rafforzamento delle infrastrutture per lo stoccaggio e il trasporto dell'idrogeno attraverso i sistemi LOHC. Il piano tedesco suggerisce che l'integrazione di questi sistemi con fonti di energia rinnovabile possa accelerare il passaggio verso un'economia energetica pulita, in cui l'idrogeno rappresenta una risorsa fondamentale.

Un altro approccio al trasporto dell’idrogeno riguarda l'ammoniaca liquida (NH3), che offre una densità di stoccaggio di idrogeno maggiore rispetto all'idrogeno liquido. Con una densità volumetrica di 108 g/L, l’ammoniaca può essere trasportata a temperature più elevate rispetto all'idrogeno liquido, che necessita di temperature estremamente basse (−253 °C). L’ammoniaca, pur essendo sicura e poco costosa da trasportare, presenta tuttavia significativi svantaggi, tra cui la sua tossicità e la corrosività, che richiedono particolari misure di sicurezza durante la gestione.

Le tecnologie LOHC e NH3 per il trasporto dell'idrogeno si stanno evolvendo, ma ci sono diverse difficoltà da superare, specialmente legate ai costi e alla sicurezza. Ad esempio, i costi operativi del processo di deidrogenazione dei LOHC sono ancora elevati, con una percentuale significativa dell'energia dell’idrogeno stessa consumata per l'estrazione dell'idrogeno dal portatore liquido. Il prezzo elevato dei materiali di stoccaggio e i costi aggiuntivi derivanti dalla necessità di inviare i materiali a impianti specifici per la reimmissione del portatore di idrogeno sono altre problematiche da affrontare.

Infine, sebbene l’industria dell’idrogeno sia promettente, soprattutto per quanto riguarda l’utilizzo di tecnologie come LOHC e NH3, sono necessarie ancora molte innovazioni per abbattere i costi, migliorare l’efficienza dei processi e garantire standard di sicurezza più elevati. Una delle chiavi per il successo di queste tecnologie sarà probabilmente lo sviluppo di infrastrutture condivise con altri settori dell'energia, come quello petrolifero e del gas, al fine di abbattere i costi e rendere più sicuro il trattamento dell’idrogeno in larga scala.

Quali sono i progressi recenti nei materiali per lo stoccaggio dell'idrogeno solido?

Uno degli approcci più studiati riguarda l'uso delle leghe di titanio-ferro, che mostrano buone proprietà di assorbimento e desorbimento dell'idrogeno. Queste leghe sono in grado di immagazzinare idrogeno in modo stabile, ma la loro efficienza può essere influenzata da fattori come la presenza di impurità e la superficie del materiale, che può subire un "velamento" durante il processo di stoccaggio a causa dell'interazione con l'ossigeno e l'umidità. Il miglioramento della stabilità e della reversibilità di questi materiali è una delle principali sfide da affrontare per ottimizzare le loro prestazioni (Sandrock, 1980; Hirata, 1985).

Un altro materiale di interesse è il borohidrato di litio (LiBH4), che ha suscitato grande attenzione per le sue elevate capacità teoriche di stoccaggio dell'idrogeno, superiori a quelle di molti altri materiali. Tuttavia, la sua instabilità termica e la difficoltà di ciclizzazione ne limitano l'uso pratico. Vari studi hanno esplorato tecniche come la confinazione nano-strutturata del LiBH4 in materiali porosi, come TiO2 e carbonio aerogel, per migliorare la sua stabilità e reversibilità (Liu et al., 2014; Surrey et al., 2016).

Il magnesio-boroidrato (Mg(BH4)2) è un altro candidato promettente, che è stato oggetto di numerosi studi per migliorare la sua stabilità e la capacità di deidrogenazione reversibile. La destabilizzazione di questo materiale, ottenuta tramite confinamento in strutture nanoporose, ha portato a risultati promettenti, migliorando l'efficienza di stoccaggio senza compromettere le prestazioni di rilascio dell'idrogeno (Lai, 2017).

Allo stesso modo, l’uso di sistemi ibridi, come quelli contenenti LiNH2-MgH2, ha mostrato potenziale nella generazione di idrogeno a temperatura ambiente, con applicazioni che potrebbero trasformare radicalmente la gestione dell'idrogeno per uso industriale e nei veicoli a celle a combustibile (Luo, 2004; Liu, 2008). Le reazioni di deidrogenazione e idrogenazione in questi sistemi sono di grande interesse per il loro potenziale in applicazioni a lungo termine, sebbene rimangano sfide significative legate alla ciclicità e alla stabilità termica dei materiali.

I progressi nell'ingegnerizzazione dei materiali sono un aspetto cruciale per il futuro dello stoccaggio dell'idrogeno. Le soluzioni basate su sistemi di nanocontenimento, così come l'integrazione di catalizzatori efficienti, promettono di superare i limiti attuali. L'uso di nanoparticelle e l’ingegnerizzazione della struttura dei materiali a livello nanometrico migliorano le prestazioni di stoccaggio e desorbimento dell'idrogeno, permettendo cicli più lunghi e una maggiore efficienza energetica (Zhang et al., 2021).

I lettori devono comprendere che sebbene esistano numerose tecnologie emergenti nel campo dello stoccaggio dell'idrogeno, ogni materiale ha vantaggi e svantaggi in relazione a specifiche applicazioni. La ricerca è ancora in corso, ma la comprensione dei principi termodinamici, strutturali ed elettronici alla base di questi materiali è essenziale per progredire verso soluzioni commercialmente viable.